1-Componentes Del Rendimiento y Su Relación Con La Producción de Azúcar Panela y Etanol

IAS-624 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LA CAÑA DE AZÚCAR.

COMPONENTES DEL RENDIMIENTO Y SU RELACIÓN CON LA PRODUCCION DE AZUCAR, PANELA Y ETANOL.

2015

DR. Héctor Debernardi De La Vequia.

1. Fisiología y Procesos Fotosintéticos de la caña de azúcar.

La caña de azúcar, Saccharum officinarum L., es una planta de clima tropical, presenta ciclo fotosintético C-4. El nitrógeno es un componente principal de las proteínas y las enzimas, y es un factor limitante para el crecimiento vegetal. Las plantas con metabolismo C-4 necesitan producir cantidades inferiores de rubisco, cuya estructura se puede observar en la Figura 1. El RUBISCO es la principal proteína de los seres vivos, en comparación a las plantas C-3. La baja disponibilidad de nitrógeno, es un factor limitante para el crecimiento, que es una característica de las plantas C-4. Calvin y Bassham 1962.

Figura 1. RuBiSCo (ribulosa-1 5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa).

La eficiencia en la asimilación de CO2 en la caña de azúcar, radica en la distribución de las células del mesófilo y las células que rodean al haz vascular. La enzima PEP Carboxilasa es el catalizador responsable de la fijación del CO2 y de la producción de ácido oxalacético, el cual se transforma en ácido málico por la acción del malato-deshidrogenasa en presencia de NADPH2. El ácido málico es transferido después a los cloroplastos de las células vasculares, donde es descarboxilado a ácido pirúvico con la formación de NADPH2, en presencia de NADP+. El CO2 de esta descarboxilación se concentra en las células vasculares y coadyuva en la reacción de carboxilación de la ribulosa 1,5-difosfato por la acción de la


http://www.monografias.com/trabajos28/vico-primer-antimoderno/vico-primer-antimoderno.shtml

enzima ribulosa 1,5 disfosfato-carboxilasa-oxigenasa (Rubisco), que está presente solamente en los cloroplastos de las células vasculares. Hatch. Y Slack, 1966.

Con lo anterior se demuestra que el primer producto estable en la fotosíntesis de la caña de azúcar S. officinarum L., es un ácido dicarboxílico de cuatro carbonos llamado Malato (ácido Málico), de ahí que esta planta se le calcifique como C-4, a diferencia de las plantas C-3 cuyo primer producto de la fijación de CO2 es el fosfoglicerato. La Figura 2, muestra el mecanismo fotosintético en plantas C-4.

Figura 2. Mecanismo fotosintético en plantas C-4.

Las plantas C-4 como la caña de azúcar, el maíz y el sorgo tienen un punto de compensación de CO2 bajo y, a diferencia de las plantas C-3, no pierden una proporción significativa del carbono fijado durante la fotosíntesis durante el proceso de fotorespiración, ya que el ciclo C-4 actúa una bomba que concentra CO2.

Las plantas con metabolismo C-4 presentan dos tipos diferentes de células que cooperan en la fijación neta del CO2, estos dos tipos de células son las células del haz vascular y las


células de mesófilo, tal y como se muestra en la Figura 3. Estas células son fundamentales para que opere la ruta C-4 y para el rápido transporte de metabolitos entre ambas, la Figura 3, muestra la morfología fisiológica de la hoja de las plantas C-4.

Figura 3. Morfología fisiológica de la hoja de las plantas C-4.

Las células del mesófilo y de la vaina se distinguen por su anatomía y actividades enzimáticas asociadas con la asimilación del CO2, el NO3

- y el SO4-2. Campbell y Black 1982.

La bioquímica de la fotosíntesis C-4 presenta algunas variaciones, pero de manera general se puede dividir en dos fases, un estado de carboxilación que lleva a la formación de ácidos dicarboxílicos C-4 y otra fase de descarboxilación seguida de la fijación de CO2

liberado en el Ciclo de Calvin. Los sistemas del ácido carboxilasa y la descarboxilasa están separados en distintos compartimentos del mesófilo y de las células de la vaina del haz. El CO2 es transportado de un sistema a otro en forma de ácido dicarboxílico C-4 en términos cuantitativos el total de metabolitos intermedios de los ácidos C-4 en la fotosíntesis, es pequeño (1µeq · gr-1 de peso fresco) y su régimen de recambio es alto (t½ < 10 s).

La carboxilación inicial para la formación de ácidos C-4 se lleva a cabo en las células del mesófilo, estas no contienen RuDP-carboxilasa y no poseen actividad del Ciclo de Calvin, sin embargo contienen las enzimas fosfoglicerato-quinasa y NADP-GAP deshidrogenasa. Los ácidos C-4 son transferidos desde las células del mesófilo hasta las células de la vaina donde son descarboxilados El CO2 puede entonces volver a ser asimilado por medio de las reacciones de la ruta RPP y las que se llevan a cabo en las células de la vaina.

La mayoría de las plantas C-4 presentan una anatomía de la hoja (Figura 3), tipo Kranz, es decir, presentan capas, con un arreglo en forma radial en las células de la vaina del haz vascular y las del mesófilo. La posición de las células del haz vascular por sí sola no caracteriza a una especie C-4. Sin embargo, todas las plantas con células de este tipo, rodeadas por una capa de células verdes del mesófilo presentan de manera típica fotosíntesis C-4. Para mantener el ciclo C-4 se requiere de la función coordinada de las


células del mesófilo y de la vaina del haz vascular. El transporte entre los dos tipos de células se da por medio de los plasmodesmos que forman canales a través de la pared celular que conectan los dos tipos de células.El Ciclo C-4 sirve para transferir CO2 atmosférico hasta el sitio de la RuDP-carboxilasa en las células de la vaina del haz vascular y en si mismo este mecanismo no contribuye a la fijación neta de CO2. Sin embargo si asegura un aumento en la concentración de CO2 en el sitio donde se encuentra la RuDP-carboxilasa y se puede considerar como una bomba de CO2 que depende de la energía ATP.

La mayoría de plantas C-4 se localizan en climas tropicales o de temperatura cálida y está correlacionada con la evaporación potencial en los meses de verano. Stowe y Terri, 1978.

Las plantas C-4 poseen una temperatura óptima para los procesos fotosintéticos en un rango de 30 a 40 oC. Terri y Stowe 1976. La velocidad de la fotosíntesis en las plantas C-4 disminuye drásticamente con temperaturas por debajo de los 10 0C y muchas plantas mueren por exposición prolongada en un rango de temperatura entre 00 y 10 0C. Esta sensibilidad a temperaturas bajas se debe a daños en los componentes solubles y cloroplastos.

Dado lo anterior la Figura 4, presenta las diferencias morfológicas y anatómicas entre las plantas C-3 y C-4.

Figura 4. Diferencias morfológicas y anatómicas entre las plantas C-3 y C-4.


Cuadro1. Características generales entre plantas C-3, C-4 y CAM.

PLANTAS C-3 PLANTAS C-4 PLANTAS CAM

Cultivos Arroz caña de azúcar Cactáceas-Piña

Hábitat

Clima templado Clima cálido Clima árido/desértico

Organización anatómica diferencial

Normal:

Parénquima en empalizada

Parénquima lagunar

Separación espacial:

Células del mesófilo

Células de la vaina

Separación temporal: vacuola

Hojas suculentas

Enzima de Carboxilación

Rubisco PEP carboxilasa/ Rubisco

PEP carboxilasa/Rubisco

Sitio de Carboxilación

Estroma del cloroplasto

La 1ª Carboxilación en células del mesófilo

La 2ª Carboxilación en células de la vaina

La 1ª Carboxilación en el citoplasma por la noche

La 2ª Carboxilación por el día en el estroma

Asimilación del CO2

Ciclo de Calvin Ciclo de Calvin Ciclo de Calvin

Producción de biomasa

Menor que en plantas C4

Gran tasa de producción de biomasa

Gran tasa de producción de biomasa

Costo nergético para fijar una molécula de

3 ATP/2 NADPH 5 ATP/4 NADPH 5 ATP/4 NADPH


CO2 Los ciclos fotosintéticos de mayor interés son el ciclo de Calvin, o ciclo C-3, y el ciclo Hatch-Lack, o ciclo C-4, en que la molécula del primer producto estable producido presenta, respectivamente, tres carbonos (ácido fosfoglicerato) o cuatro carbonos (oxalacetato, malato y aspartato). Mientras la mayoría de las plantas conocidas utiliza el ciclo C-3, en algunas gramíneas tropicales, como caña de azúcar, cebada y sorgo, se identificó el ciclo C-4. Tal distinción es relevante para desarrollar sistemas bioenergéticos, en función de la gran diferencia de productividad entre tales ciclos a favor del ciclo C4, que presenta una elevada tasa fotosintética de saturación (absorbe más energía solar), ausencia de pérdidas por fotorespiración, alta eficiencia en la utilización del agua, mayor tolerancia a la salinidad y bajo punto de compensación para el CO2, es decir, responde mejor bajo menores concentraciones de este gas. En resumen, se puede afirmar que los vegetales con ciclo C-4 son los más aptos para la producción de bioenergéticos. El Cuadro 2, presenta la comparación de parámetros para estos dos ciclos fotosintéticos. Janssens et al. (2009).

Cuadro 2. Comparación de parámetros para estos dos ciclos fotosintéticos.


Resumen general de las condiciones fisiológicas de las plantas C-4.

1. Reacción del CO2 con el ácido fosfoenol Piruvato (PEP), catalizada por la enzima PEP carboxilasa.

2. Formación de ácido oxalacético (OAA).(ácido de 4 carbonos, primer producto de formación).

3. El OAA se convierte a ácido málico.

4. En las células de la vaina el ácido málico es descarboxilado, produciéndose CO2 y ácido pirúvico (C-3).

5. El CO2 entra al Ciclo de Calvin.

6. El ácido pirúvico después se convierte en PEP y retorna a las células del mesófilo.


2. Componentes del rendimiento y su relación con la producción de azúcar, panela y etanol.

2.1. Características de la caña de azúcar.

La caña de azúcar es una planta proveniente del sureste asiático. Fue traída a México en 1522 y la primera plantación se hizo en el Estado de Veracruz.El jugo extraído de su tallo es la principal fuente de azúcar. Prácticamente el 70% del azúcar del mundo se produce a partir de la caña.Su cultivo es propio de zonas tropicales y subtropicales, necesita de abundante agua y suelos adecuados para crecer bien. Mediante la fotosíntesis puede absorber hasta el 2% de la energía solar que recibe, para convertirla entre el 14% y 17% de sacarosa y de 14% a 16% de fibra, Cuadro 3.El periodo de crecimiento de la caña azúcar requiere de 11 a 17 meses, dependiendo de la variedad y la zona de cultivo (variedades tempranas, medias y tardías). La planta rebrota varias veces y se puede seguir cortando (a estos cortes se les conoce como socas). Debe renovarse cada siete a diez años con nuevos tallos, sobre todo por problemas de pureza y resistencia a enfermedades que hacen que las variedades se deterioren y disminuya el rendimiento en campo y fábrica con el tiempo.

Cuadro 3. Composición de la caña de azúcar.

COMPONENTES TALLOS % COGOLLOS Y HOJAS %

Materia seca 29.00 26.00

Azúcares 15.43 2.18

Lignocelulosa 12.21 19.80

Materia para bioetanol 27.64 21.98

Cenizas y otros compuestos. 1.36 4.02

Agua 71.00 74.00

Total: 100.00 100.00


Por cada 1000 kg (1 tonelada) de caña de azúcar, el 25% es de hojas y cogollos.

Cuadro 4. Composición química del Bagazo de caña de azúcar.

Componentes Composición (%) en base seca

Celulosa 51.23

Hemicelulosa 24.11

Lignina 20.67

Cenizas y otros compuestos 3.99

Suma: 100.00

Cuadro 5. Requerimientos agroecológicos de la caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) bajo condiciones de temporal en México.

Variable Alto Medio Bajo

Temperatura mínima media >10º C 5º-10º C <5º C

Temperatura máxima media 15º-35º C 10º-15º y 35º-45º C <10º C

Temperatura media 21º-28º C 18º-21º y 28º-35º C <18º C

Temperatura media de enero >17º C - <17º C

Precipitación media 1500-3000 mm >3000 mm <1500 mm

Precipitación mes de abril 0 - 1600 mm - <60 mm

Pendiente del suelo <3 % 3-6 % >6 %

Altitud 10-1550 msnm 0-10 y 1550 msnm >1750

msnm

2.2. Proceso de extracción y producción de azúcar y bioetanol.

El proceso de extracción y producción de azúcar inicia en los ingenios con el pesado de la caña que llega de campo, está operación está debidamente programada en base a la capacidad de molienda de los ingenios, después de la extracción del jugo o guarapo en el tándem de molinos o en el difusor, pasa a un proceso de defecación o limpieza donde al jugo se quitan las impurezas que son de alrededor del 3 % del porciento de caña molida, Cuadro 4.

El jugo o guarapo pasa a un proceso de calentamiento y concentración. La concentración del jugo se realiza en un equipo de evaporación de múltiple efecto (dos, tres, cuatro, cinco


o seis efectos) que corresponden a una serie de cuerpos o evaporadores interconectados entre sí, durante esta operación el jugo pasa de una concentración de 13 a 60 oBrix y se conoce como meladura.

La meladura pasa a un proceso conocido como de las tres masas cocidas, este se realiza en equipos conocidos como cristalizadores o tachos, que son evapo-cristalizadores de gran tamaño y cuya superficie de cristalización y calentamiento es calculada en base a la capacidad de molienda de un ingenio azucarero. En estas tres etapas de cristalización se realiza las operaciones por etapas, el proceso de cristalización es seguido por una separación de los cristales de sacarosa del llamado licor madre o masa cocida, mediante centrifugación. Así, la primera etapa de cristalización y centrifugación permite obtener el azúcar A y la masa cocida A. Luego esta masa cocida es sometida a nueva cristalización y centrifugación, resultando el azúcar B y la masa cocida B. Finalmente, de modo análogo, se produce el azúcar C y la masa cocida C. Durante esta etapa se puede obtener bioetanol a partir de de las masas B y C. En el primer caso, todo el jugo de caña se destina a la producción de bioetanol (sin que se genere azúcar), mientras que en los dos siguientes, se obtienen azúcar y bioetanol. La Figura 5, muestra el esquema del proceso de producción de azúcar y etanol a partir de caña de azúcar.

2.3. Rendimientos de caña y etanol en México.

El rendimiento promedio de caña de azúcar en México es de 65 ton·ha -1, sin embargo este rendimiento se puede incrementar hasta 100 ton·ha-1, si se mejora la tecnología de producción incorporando innovación tecnológica en variedades, manejo de suelos y sistemas de riego, la problemática más fuerte es la atomización de la superficie dedicada al cultivo donde cerca del 80 % de los productores cuentan con superficies menores a 4 ha, lo anterior aumenta los costos de operación, la rentabilidad y disminuye el grado de adopción de tecnología eficiente en la operaciones de cultivo y manejo de la zafra.

2.3.1. Obtención de bioetanol directamente a partir del jugo de caña.

Producir bioetanol del jugo de caña incrementa la producción de bioetanol, pero reduce los sub-productos, en especial la misma azúcar, de la que no se produce nada.

Para el caso de México se estima que una tonelada de caña con un porcentaje de sacarosa entre 13 y 14 % produce de 70 a 80 litros de bioetanol.

Aunque la producción de bioetanol directamente del jugo reduce la flexibilidad de la empresa para diversificar sus productos de acuerdo a las condiciones del mercado (vendiendo melazas, azúcar o bioetanol), también reduce el costo de inversión, ya que no se requiere todo el equipo de cocimiento de un ingenio azucarero.


Figura 5. Esquema del proceso de producción de azúcar y etanol a partir de caña de azúcar.

Es interesante observar que, dependiendo del vegetal, la energía solar se fija en diferentes sustancias y órganos de acumulación, que determinan las vías tecnológicas posibles de adoptar para convertirlo en biocombustibles para uso final. En la caña de azúcar, por ejemplo, las reservas energéticas se ubican principalmente en los tallos, como sacarosa, celulosa y lignina, siendo tradicionalmente empleadas en la producción de bioetanol y bagazo, pero también las puntas y hojas de la caña presentan creciente interés, a medida que se desarrollan procesos para la utilización de su substrato lignocelulósico. A su vez, en los árboles y otras especies leñosas, el contenido energético está esencialmente en el fuste (tronco y ramas), en forma de celulosa y lignina, siendo empleado básicamente como leña. Las raíces y tubérculos de plantas como la mandioca y la remolacha acumulan almidón y sacarosa, mientras que los frutos y las semillas, como la palma y el maíz, acumulan generalmente almidón, azúcar y aceites vegetales, según cada especie.

Además de definir las vías tecnológicas más adecuadas para convertir la biomasa en biocombustibles, estos aspectos son relevantes para la eficiencia global de captación y utilización de energía solar: para la síntesis de carbohidratos (como celulosa y sacarosa), el


vegetal requiere cerca del 60% menos de energía que para la síntesis de grasas o lípidos por unidad de masa de producto final, lo que, en principio, hace las vías asociadas al biodiesel comparativamente menos eficientes que las vías del bioetanol, en base a la sacarosa o a la celulosa.

La Figura 6, presenta una síntesis de las diversas vías de conversión que se pueden aplicar para transformar la biomasa en biocombustibles y calor útil. Además de los procesos físicos, puramente mecánicos, para concentración, reducción granulométrica, compactación o reducción de la humedad de la biomasa, son utilizados dos grupos de tecnologías químicas, que modifican la composición de la materia prima para suministrar productos más compatibles con los usos finales: procesos termoquímicos, que emplean materias primas con baja humedad y temperaturas elevadas; y procesos bioquímicos, desarrollados en ambientes con elevada concentración de agua y temperaturas cercanas a la ambiente.

Seabra, 2008.

Figura 6. Vías tecnológicas para producción de bioenergía.

Aunque la producción de bioetanol directamente del jugo reduce la flexibilidad de la empresa para diversificar sus productos de acuerdo a las condiciones del mercado (vendiendo melazas, azúcar o bioetanol), también reduce el costo de inversión, ya que no se requiere todo el equipo de cocimiento de un ingenio azucarero.

Obtención de bioetanol a partir de mieles B.Como la meladura B se obtiene de la segunda cristalización y centrifugación del jugo de caña proveniente del tacho de A, y por ello no contiene tanta azúcar, su capacidad de producción de etanol es baja comparada con el jugo directo. Sin embargo, el resultado


final son 92 kg de azúcar, al sumar la meladura obtenida de la primera A y segunda cristalización B, se pueden obtener aproximadamente 17.1 litros de bioetanol.

Obtención de bioetanol a partir de mieles CComo estas mieles se obtienen en la tercera etapa de cristalización y centrifugado, tiene una concentración más baja de azúcares, por lo que se producen alrededor de 112 kg de azúcar (sumando la obtenida de la primera, la segunda y la tercera cristalización) y 8.81 litros de etanol.Estos rendimientos para los tres métodos son estimados a partir de observaciones en México y de experiencias en Brasil, pero es importante tener en cuenta que pueden variar sustancialmente dependiendo del grado de optimización de la producción en campo y de los procesos y operaciones unitarias en la industria azucarera.

Figura 7. Estructura de la biomasa de la caña de azúcar.

Figura 8. Valor bioenergético de la caña de azúcar comparándola con el petróleo.

La posibilidad de utilizar los azúcares de caña, total o parcialmente, para la producción de bioetanol se convierte en una característica muy importante para esta agroindustria que, debido a las condiciones de precio, a la demanda existente y a las perspectivas de mercado, puede establecer, respetando ciertos límites, un programa de producción de mínimo costo y máximo beneficio económico. Para aprovechar bien esa ventaja, se deben


usar ingenios para fabricación de azúcar y bioetanol, cada uno con capacidad para procesar el 75% del jugo producido, logrando un margen de un 50% de la capacidad total de proceso ante la capacidad de extracción de las moliendas.

Durante este proceso la descarga de agua es bastante alta. Actualmente, la captación es alrededor de 1,8 m3 por tonelada de caña procesada, pero está disminuyendo de modo significativo, como resultado de la implantación de medidas de reutilización, que permiten la reducción del nivel de captación así como de la disposición de agua tratada. Considerando todo el proceso de producción de bioetanol de caña, los residuos consisten en la vinaza, entre 800 y 1.000 l · ton-1 de caña procesada para bioetanol, y de aproximadamente 40 kg de cachaza por tonelada de caña procesada y en las cenizas de las calderas. Neto (2005). Se deben valorar los residuos y luego se convierten en coproductos, que se reciclan y se utilizan como mejoradores de suelo. De esta manera, se reduce de manera significativa la necesidad de incorporar fertilizantes minerales y se sustituye en parte la necesidad de irrigación en las plantaciones de caña de azúcar.

La producción de bioetanol implica una gran eliminación de agua, la demanda de energía es alta, principalmente de energía térmica, como se detalla en el Cuadro 6, elaborado con información de Pizaia (1998). En esa tabla, la demanda de vapor para el bioetanol hidratado y el anhidro consideró, respectivamente, la tecnología convencional con un consumo de 3,0 kg a 3,5 kg de vapor por litro de bioetanol hidratado y un proceso de destilación azeotrópica con ciclohexano, con consumo de 1,5 kg a 2,0 kg de vapor por litro de bioetanol anhidro. Con relación a la demanda de energía eléctrica, hay una pequeña variación entre los procesos, pero todos estos se acercan al valor presentado de 12 kWh por tonelada de caña procesada.

Cuadro 6. Demanda de energía en el procesamiento de caña de azúcar.

Pizaia, (1998).


Bibliografía.

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Janssens, M. J. J., N. Keutgen and J. Pohlan. 2009. The Role of Bio-productivity on Bio-energy Yields. Journal of Agriculture and Rural Development in the Tropics and Subtropics, Volume 110, No. 1, pages 39–47.

Neto, A., E. 2005, Captação e uso de água no processamento da cana-de-açúcar. In: Macedo, I. C. (org.). A energia da cana-de-açúcar: doze estudos sobre a agroindustria da cana-de açúcar no Brasil e a sua sustentabilidade. São Paulo: Unicampi.

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Stowe, L.G., and J.A. Terri. 1978. The geographic distribution of C4 species of the dicotyledonae in relation to climate. American Naturalist 112: 609-623.

Seabra, J. E. A. 2008. Análise de opções tecnológicas para uso integral da biomassa no setor de canade-açúcar e suas implicações. Campinas: Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, (Tesis de Doctorado).

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